化工设备材料及其选择

1、绪论绪论 一、问题的提出一、问题的提出 二、课程内容二、课程内容 （一）设备是工艺的基础（一）设备是工艺的基础 （二）材料是设备的基础（二）材料是设备的基础 （一）基础篇（一）基础篇材料材料 材料的性能材料的性能 碳钢碳钢 特殊性能钢特殊性能钢合金钢合金钢 常用三类钢常用三类钢 封头 人孔 支座筒体 管口 液位计 内压容器内压容器外压容器的失稳外压容器的失稳 （二）理论篇（二）理论篇中低压容器设计（内压和外压）中低压容器设计（内压和外压） 换热器换热器搅拌器搅拌器塔设备塔设备 （三）实践篇（三）实践篇典型设备（换热器、塔设备、搅拌器）典型设备（换热器、塔设备、搅拌器） 化工设备机械基础化工设备

2、机械基础 u压力容器的常规设计方法压力容器的常规设计方法 u内压、外压（中、低压）内压、外压（中、低压） u几类常用化工设备几类常用化工设备 u 换热设备、塔设备、搅拌设备换热设备、塔设备、搅拌设备 参考书目 u化工设备机械基础，化工设备机械基础编写组，北京： 化学工业出版社，1979 u化工容器及设备，余国琮主编，北京：化学工业出版 社，1980 u化工容器设计，化工设备设计全书编委员会，上海： 上海科学技术出版社，1987 u过程设备设计，郑津洋等主编，北京：化学工业出版 社，2005 uGB150-98钢制压力容器，北京：学苑出版社， 1998 第一章第一章 化工设备材料及其选择化工设备

3、材料及其选择 教学重点：教学重点： （1）材料的力学性能）材料的力学性能； （2）化工设备材料的选择。）化工设备材料的选择。 教学难点：教学难点： 材料的性能。材料的性能。 第一节第一节 概述概述 一、化工设备选材的重要性和复杂性一、化工设备选材的重要性和复杂性 1.1.操作条件的限制操作条件的限制 2.2.制造条件的限制制造条件的限制 3.3.材料自身性能的限制材料自身性能的限制 二、选材要遵循二、选材要遵循 适用、安全和经济的原则。适用、安全和经济的原则。 第二节第二节 材料的性能材料的性能 一、力学性能一、力学性能 材料在外力材料在外力(或外加能量或外加能量)作用下抵抗外力所表现的行作用

4、下抵抗外力所表现的行 为，包括变形和抗力，即在外力作用下不产生超过允为，包括变形和抗力，即在外力作用下不产生超过允 许的变形或不被破坏的能力。许的变形或不被破坏的能力。 硬硬 度度 强强 度度 塑塑 性性 韧韧 性性 金属材料承受载荷作用，金属材料承受载荷作用， 当载荷不再增加或缓慢当载荷不再增加或缓慢 增加时，仍继续发生明增加时，仍继续发生明 显的塑性变形，这种现显的塑性变形，这种现 象就称为屈服。象就称为屈服。 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变 形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久强度持久强度D 蠕变强度蠕变强度n 屈服强度屈服强度s(

5、0.2) 抗拉强度抗拉强度b 疲劳极限疲劳极限n 常温拉应力下常温拉应力下20号钢的拉抻试验号钢的拉抻试验 l0=10d0 l0= 5d0 或或 从开始加载到发生断裂所从开始加载到发生断裂所 能达到的最大应力值，叫能达到的最大应力值，叫 做抗拉强度。做抗拉强度。 开始出现塑性变形时的应开始出现塑性变形时的应 力，称为力，称为“屈服点屈服点”s ss s sb 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变 形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久强度持久强度D 蠕变强度蠕变强度n 屈服强度屈服强度s(0.2) 抗拉强度抗拉强度b 疲劳极限疲劳极限n 金属在拉

6、伸条件下，金属在拉伸条件下， 从开始加载到发生从开始加载到发生 断裂所能承受的最断裂所能承受的最 大应力值，叫作抗大应力值，叫作抗 拉强度。拉强度。 1 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变 形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久强度持久强度D 蠕变强度蠕变强度n 屈服强度屈服强度s(0.2) 抗拉强度抗拉强度b 疲劳极限疲劳极限n 材料在高温下，在材料在高温下，在 一定的应力下，抵一定的应力下，抵 抗发生缓慢塑性变抗发生缓慢塑性变 形的能力。形的能力。 材料在高温下，抵抗材料在高温下，抵抗 发生断裂的能力。发生断裂的能力。 1 1、强度：固体

7、材料在外力作用下抵抗产生塑性变、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变 形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久强度持久强度D 蠕变强度蠕变强度n 屈服强度屈服强度s(0.2) 抗拉强度抗拉强度b 疲劳极限疲劳极限n 材料在材料在交变载荷交变载荷作用下，作用下， 会在远低于材料本身的屈会在远低于材料本身的屈 服点时就已经断裂了，这服点时就已经断裂了，这 种现象就是疲劳。我们把）种现象就是疲劳。我们把） 经过经过106108次次循环试验循环试验 而不发生断裂的最大应力，而不发生断裂的最大应力， 作为疲劳强度。作为疲劳强度。 1 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变、强度：固体材料在外力作

8、用下抵抗产生塑性变 形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久强度持久强度D 蠕变强度蠕变强度n 屈服强度屈服强度s(0.2) 抗拉强度抗拉强度b 疲劳极限疲劳极限n 2、塑性塑性： 金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的 能力。能力。 主要有两个塑性指标：主要有两个塑性指标： 延伸率延伸率 断面收缩率断面收缩率 %100%100 0 0 0 l ll l l KK %100%100 0 0 0 F FF F F KK 3、韧性：韧性： 表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量 的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。的能力，也就

9、是材料抵抗裂纹扩展的能力。 承受承受静静载荷抗裂纹扩展的能力载荷抗裂纹扩展的能力 缺口敏感性缺口敏感性 承受承受动动载荷时抗裂纹的能力载荷时抗裂纹的能力 冲击韧性冲击韧性 冲击功AK=GH1-GH2，而冲击韧度K= AK/F（F为面积） 图图1-1冲击试样的安放冲击试样的安放 1-摆锤摆锤2-试样试样3-机座机座 图图1-2 冲击试验原理冲击试验原理 1-摆锤摆锤2-试样试样 韧性高的材料，塑性好；塑性较高韧性高的材料，塑性好；塑性较高 的材料，韧性也好。的材料，韧性也好。 问题问题 判断正误并说出理由判断正误并说出理由 注意！韧性是材料在外加动载荷注意！韧性是材料在外加动载荷 突然袭击时的一

10、种及时和迅速塑性突然袭击时的一种及时和迅速塑性 变形的能力。韧性高的材料，一般变形的能力。韧性高的材料，一般 都有较高的塑性指标；但塑性较高都有较高的塑性指标；但塑性较高 的材料，却不一定都有高的韧性。的材料，却不一定都有高的韧性。 其所以如此，就是因为静载菏下能其所以如此，就是因为静载菏下能 够缓慢塑性变形的材料在动载荷够缓慢塑性变形的材料在动载荷 下不一定能迅速塑性变形。下不一定能迅速塑性变形。 （2）缺口敏感性）缺口敏感性 指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件 下，抵抗裂纹扩展的能力。下，抵抗裂纹扩展的能力。 图图1

11、-3 冲击试验的标准试样冲击试验的标准试样 4、硬度硬度： 金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。 表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗 弹性变形、塑性变形或破断的能力。弹性变形、塑性变形或破断的能力。 布氏硬度布氏硬度HB（一般在（一般在HB450以上就不能使以上就不能使 用用) 、 洛氏硬度洛氏硬度HR (可以用于硬度很高的材可以用于硬度很高的材 料料) 、 维氏硬度维氏硬度HV ( 比洛氏硬度更适合于测比洛氏硬度更适合于测 定极薄试样的硬度定极薄试样的硬度) ，显微硬度。，显微硬度。 材料的力学性能所包括的

12、强度、塑性、韧性、材料的力学性能所包括的强度、塑性、韧性、 硬度四个指标中，强度和塑性占主导地位，硬度四个指标中，强度和塑性占主导地位， 但使用时要考虑温度的变化。但使用时要考虑温度的变化。 s s T T s s 二、二、物理性能物理性能 相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、 弹性模数与泊桑比等。弹性模数与泊桑比等。 2、弹性模量弹性模量E E 材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即E，这个这个 比例系数比例系数E称为弹性模量，表示金属材料在弹性变形阶段称为弹性模量，表示金属材料在弹性变形阶段

13、的应力和应变关系。的应力和应变关系。 对不同材料，材料的弹性模量越大使它产生一定量的弹对不同材料，材料的弹性模量越大使它产生一定量的弹 性变形的应力也越性变形的应力也越。对同一种材料，弹性模数。对同一种材料，弹性模数E随温随温 度的升高而度的升高而。 t l l 1 1 1、线膨胀系数、线膨胀系数 2.泊桑比泊桑比 泊桑比是拉伸试验中试件泊桑比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸单位横向收缩与单位纵向伸 长之比长之比，以，以表示。对于各种钢材它近乎为一个常数，表示。对于各种钢材它近乎为一个常数， 即即0.3。 b 1 b 1 l l = 其中 b bb b b 1 l ll l l 1 三

14、、化学性能三、化学性能 1 1、耐腐蚀性、耐腐蚀性 金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液 侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。 2 2、抗氧化性、抗氧化性 在现代工业生产中的许多高温化工设备，在高温工作在现代工业生产中的许多高温化工设备，在高温工作 条件下，不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气条件下，不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气 体介质如水蒸气，体介质如水蒸气，CO2、SO2等的氧化腐蚀作用，因此等的氧化腐蚀作用，因此 锅炉给水中的含氧量和其他介质中的硫及其他杂质的锅炉给水中的含氧量和其他介质中的硫及其他杂

15、质的 含量对钢的氧化是有一定影响的。含量对钢的氧化是有一定影响的。 表表1-1 几种材料在不同温度和浓度的酸、碱和盐类介质中的耐腐蚀性几种材料在不同温度和浓度的酸、碱和盐类介质中的耐腐蚀性 金属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、可金属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、可 焊性、切削加工性、热处理性能等直接影响化工焊性、切削加工性、热处理性能等直接影响化工 设备和零部件的制造工艺方法，也是选择材料时设备和零部件的制造工艺方法，也是选择材料时 必须考虑的因素。必须考虑的因素。 良好的冷热加工性能良好的冷热加工性能 良好的焊接性能良好的焊接性能 四、加工工艺性能四、加工工艺性能 第三节金属材料的

16、分类及牌号第三节金属材料的分类及牌号 一、分类一、分类 1、金属的分类、金属的分类 铸造生铁铸造生铁 金属金属 黑色金属黑色金属 有色金属有色金属 生铁生铁 钢钢 炼钢生铁炼钢生铁 合金生铁合金生铁 铜及其合金铜及其合金 轻金属及其合金轻金属及其合金 其它有色及其合金其它有色及其合金 纯铜（紫铜）纯铜（紫铜） 铜锌合金（黄铜）铜锌合金（黄铜） 铜锡合金（锡青铜）铜锡合金（锡青铜） 无锡合金（铝青铜等）无锡合金（铝青铜等） 铝及铝合金铝及铝合金 钛及钛合金钛及钛合金 镁及镁合金镁及镁合金 铅、锡及其合金铅、锡及其合金 锌及其合金锌及其合金 镍、钴及其合金镍、钴及其合金 2、钢的分类钢的分类 二、

17、钢铁牌号及表示方法（二、钢铁牌号及表示方法（GB/T221-2000GB/T221-2000） 1、碳素结构钢：、碳素结构钢： 1）普通碳素结构钢（）普通碳素结构钢（GB700-88） 代表钢材屈服点的字母代表钢材屈服点的字母 屈服点的数值屈服点的数值 材料质量等级符号材料质量等级符号 脱氧方法符号，脱氧方法符号， 常用常用Q235B，Q235C，Q235AF 2）优质碳素结构钢（）优质碳素结构钢（GB711-88） 较普通碳素结构含较普通碳素结构含S、P量较少，表面质量较好。量较少，表面质量较好。 常用常用10、15 、20g、20R和和20等。等。 表表1-2 压力容器用碳素钢镇静钢板的适

18、用范围表压力容器用碳素钢镇静钢板的适用范围表 钢板钢板 牌号牌号 使用温使用温 度度 设计设计 压力压力 MPa 壳体钢壳体钢 板厚度板厚度 mm 其它限制其它限制 Q235-B 0350 1.6 20 不得用于毒不得用于毒 性程度为高性程度为高 度或极度危度或极度危 害介质的压害介质的压 力容器力容器 Q235-C 0400 2.5 30 二、钢铁牌号及表示方法（二、钢铁牌号及表示方法（GB/T221-2000GB/T221-2000） 2、合金（高强度）钢、合金（高强度）钢 在碳素钢的基础上加入少量合金元素。在碳素钢的基础上加入少量合金元素。 特别：锅炉钢和容器钢特别：锅炉钢和容器钢 主要

19、用于壳体或锅炉承压元件。主要用于壳体或锅炉承压元件。 如如16MnR，15MnVR，18MnMoNb等。等。 性能指标等见附录。性能指标等见附录。 二、钢铁牌号及表示方法：二、钢铁牌号及表示方法： 3、特殊性能钢、特殊性能钢 主要指不锈耐酸钢主要指不锈耐酸钢 铬不锈钢，如铬不锈钢，如1Cr13 铬镍不锈钢，如铬镍不锈钢，如0Cr18Ni9 节镍不锈钢节镍不锈钢 三、有色金属三、有色金属 铝铝良好的导电、导热性，耐浓硝酸良好的导电、导热性，耐浓硝酸 换热器，塔，深冷设备换热器，塔，深冷设备 铜铜良好的导电性，低温韧性好良好的导电性，低温韧性好 蒸发器、蛇管、垫片等蒸发器、蛇管、垫片等 铅铅能防辐

20、射，耐稀硫酸等能防辐射，耐稀硫酸等 制作衬里制作衬里 第四节 化工设备的腐蚀及防腐 一、金属的腐蚀一、金属的腐蚀 1.1.定义：定义： 金属与周围介质发生化学或电化学作用而引起的金属与周围介质发生化学或电化学作用而引起的 破坏现象。破坏现象。 2.2.类型类型（腐蚀过程有无电流产生）（腐蚀过程有无电流产生） 1 1）化学腐蚀（如氢腐蚀）化学腐蚀（如氢腐蚀） 2 2）电化学腐蚀（如晶间腐蚀，应力腐蚀）电化学腐蚀（如晶间腐蚀，应力腐蚀） 二、常见腐蚀类型二、常见腐蚀类型 1. 氢腐蚀氢腐蚀 氢气在较低温度和压力氢气在较低温度和压力( (200200，5.0MPa)5.0MPa)下下 对普通碳钢及低

21、合金钢不会有明显的腐蚀，但是对普通碳钢及低合金钢不会有明显的腐蚀，但是 在高温高压下则会对它们产生腐蚀，结果使材料在高温高压下则会对它们产生腐蚀，结果使材料 的机械强度和塑性显著下降，甚至损坏，这种现的机械强度和塑性显著下降，甚至损坏，这种现 象常称为象常称为“氢腐蚀氢腐蚀”。 二、常见腐蚀类型二、常见腐蚀类型 2. 晶间腐蚀晶间腐蚀 发生在晶界，晶粒发生在晶界，晶粒 之间结合力下降，之间结合力下降， 与元素与元素CrCr的含量有关。的含量有关。 图图1-1 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀奥氏体不锈钢的晶间腐蚀 二、常见腐蚀类型二、常见腐蚀类型 3. 应力腐蚀应力腐蚀 金属在腐蚀介质和拉应力金属在腐蚀介质和拉应力 的共同作用下产生的一种的共同作用下产生的一种 破坏形式。腐蚀与拉应力破坏形式。腐蚀与拉应力 起互相促进的作用。起互相促进的作用。 图图1-2 应力腐蚀的裂纹扩展应力腐蚀的裂纹扩展